架空輸電線路防鳥糞閃絡(luò)絕緣護(hù)套的配置方案研究

劉會斌，刁鳳新，李博，祝永坤，王勝輝，馬康，張文文

（1.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；2.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；3.華北電力大學(xué)，北京 102206）

0 引言

隨著電網(wǎng)建設(shè)的持續(xù)發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境的不斷改善，由鳥類活動引起的線路故障次數(shù)也隨之增加[1-3]。據(jù)統(tǒng)計，2013—2017年，內(nèi)蒙古赤峰、通遼等地共發(fā)生線路跳閘事故197次，其中由鳥害引起的跳閘事故為81次，約占總事故次數(shù)的41%。目前針對電網(wǎng)線路涉鳥故障采取的防治措施包括：安裝防鳥刺、驅(qū)鳥器，輸電線路包覆絕緣護(hù)套等[4-9]。其中，因絕緣護(hù)套安裝方便，對鳥類活動影響小，被逐漸應(yīng)用于鳥害事故多發(fā)地區(qū)。

針對絕緣護(hù)套的防護(hù)效果，已有學(xué)者展開了相關(guān)研究，文獻(xiàn)[10]研究了鳥糞下落時，導(dǎo)線包覆絕緣護(hù)套前后的放電特性差異，得出護(hù)套可承擔(dān)35～50 kV左右的電壓；文獻(xiàn)[11]提出了一種在復(fù)合絕緣子高壓側(cè)導(dǎo)線上纏繞絕緣護(hù)套用以防范鳥糞閃絡(luò)的方法，結(jié)果表明，該方法能夠使均壓環(huán)包覆護(hù)套表面的電位降低，鳥糞閃絡(luò)的可能性減?。晃墨I(xiàn)[12]建立污穢復(fù)合絕緣子干燥情況下在高壓端輸電導(dǎo)線包覆絕緣護(hù)套的物理模型，分析了護(hù)套參數(shù)對實(shí)施效果的影響，通過試驗給出了均勻電場下絕緣護(hù)套的擊穿電壓與其厚度的關(guān)系，并以220 kV復(fù)合絕緣子為例，研究了安裝絕緣護(hù)套前后復(fù)合絕緣子起暈電壓和污閃電壓的變化情況；文獻(xiàn)[13]仿真和試驗研究了絕緣護(hù)套包覆對500 kV輸電線路模擬桿塔中導(dǎo)線與塔身間空氣間隙擊穿特性的影響，結(jié)果表明單導(dǎo)線包覆絕緣護(hù)套后可縮短13.6%的間隙距離，4分裂導(dǎo)線包覆絕緣護(hù)套后可縮短9.3%的間隙距離。

基于上述對絕緣護(hù)套的研究現(xiàn)狀可知，導(dǎo)線包覆絕緣護(hù)套對保障線路安全穩(wěn)定運(yùn)行具有積極意義。但是，目前對不同電壓等級線路所需要包覆的護(hù)套厚度、長度尚不清晰，護(hù)套配置方案尚不明確。因此，有必要對線路包覆絕緣護(hù)套的電氣特性以及護(hù)套的配置方案進(jìn)行更深入的研究。本文通過試驗研究架空輸電線路防鳥糞閃絡(luò)絕緣護(hù)套的電氣特性，并提出線路護(hù)套的配置方案。

1 試驗

1.1 試驗布置與方案

真實(shí)鳥糞通道具有較高的電導(dǎo)率，即導(dǎo)電性較好，且在下落過程中由于重力的作用，往往呈現(xiàn)為細(xì)長狀，此外，研究表明，鳥糞在下落過程中，間隙擊穿過程所需的時間在微秒級，即可以認(rèn)為在間隙擊穿過程中，鳥糞處于靜止?fàn)顟B(tài)[4]。本文采用長度為40 cm、直徑為1 cm的銅棒模擬下落過程中的鳥糞，基于此，搭建了如圖1所示的試驗?zāi)Ｐ?。其中環(huán)氧樹脂絕緣門型架構(gòu)長度為2 m、寬度為0.8 m、高度為2.5 m，在門型架構(gòu)上方放置金屬網(wǎng)，以模擬輸電桿塔的金屬橫擔(dān)，其長度為1.2 m、寬度為1 m，導(dǎo)線為110 kV線路用鋼芯鋁絞線，根據(jù)試驗要求，導(dǎo)線和護(hù)套的長度、銅棒與護(hù)套的相對位置均可以改變。圖1中棒電極與護(hù)套及導(dǎo)線的空間位置如圖2所示。

圖1 試驗平臺Fig.1 Test platform

圖2 試驗布置圖Fig.2 Test layout

試驗過程中，首先調(diào)節(jié)棒電極與導(dǎo)線的相對位置，并固定棒電極和導(dǎo)線；導(dǎo)線末端接工頻試驗變壓器的高壓側(cè)輸出，變壓器的型號為YD30/200；升壓速度控制為1 kV/s，直至間隙擊穿。為了消除試驗過程中的隨機(jī)性對試驗結(jié)果的影響，每個間隙距離下進(jìn)行5次試驗，由于護(hù)套絕緣性能具有不可恢復(fù)性，每次試驗均采用全新的絕緣護(hù)套。

1.2 試品

試驗中卡扣式絕緣護(hù)套采用室溫硫化成型工藝制備而成，具有優(yōu)異的電氣、耐電蝕損性能及憎水性。

試驗前在用于110 kV線路的ACSR鋼芯鋁絞線上涂覆硅橡膠專用粘合劑，將絕緣護(hù)套包覆在鋼芯鋁絞線上，并用粘合劑涂刷護(hù)套卡扣部分，靜置3天，保證卡扣的凹槽及凸棱處完全固化且粘接完好，包覆絕緣護(hù)套的導(dǎo)線如圖3所示。護(hù)套厚度分別選擇為0、2.0、3.0、3.5 mm。

圖3 包覆有絕緣護(hù)套的導(dǎo)線Fig.3 Wire covered with insulating sheath

2 結(jié)果與分析

2.1 絕緣護(hù)套厚度對間隙擊穿特性的影響

基于上述試驗平臺，首先研究不同厚度和間隙距離下，含絕緣護(hù)套的組合間隙的工頻擊穿特性。采用單一變量法，在研究護(hù)套厚度對擊穿電壓的影響時，將護(hù)套的長度設(shè)置為2 m，并固定間隙距離，保證護(hù)套不會發(fā)生沿面擊穿，所得試驗數(shù)據(jù)僅為在一定間隙距離下護(hù)套厚度與體擊穿電壓的關(guān)系。

隨著工頻試驗電壓的升高，首先會在棒電極尖端出現(xiàn)電暈放電，當(dāng)電壓升高到一定的等級后，可觀察到棒電極尖端與護(hù)套間有明顯的電弧放電通道，當(dāng)絕緣護(hù)套所承受的電壓超過其耐受電壓時，護(hù)套會被擊穿，相關(guān)照片如圖4所示。

圖4 絕緣護(hù)套擊穿Fig.4 Insulating sheath breakdown

將空氣間隙的長度分別設(shè)置為0、5、10、15 cm，得到組合間隙的擊穿電壓如圖5所示。從圖5可以看出，當(dāng)絕緣護(hù)套厚度一定時，組合間隙的擊穿電壓隨空氣間隙長度的變化呈二次函數(shù)關(guān)系，通過曲線擬合得到不同絕緣護(hù)套厚度下，擊穿電壓與空氣間隙長度的關(guān)系如表1所示。

圖5 組合間隙的擊穿特性Fig.5 Breakdown characteristics of combined gap

表1 擊穿電壓與空氣間隙長度的關(guān)系Tab.1 The relationship between breakdown voltage and air gap distance

當(dāng)空氣間隙長度為0 cm時，護(hù)套的體擊穿電壓隨護(hù)套厚度的變化如圖6所示，由圖6可知在所研究的厚度范圍內(nèi)，絕緣護(hù)套的擊穿電壓隨其厚度的增加呈非線性增大趨勢，通過曲線擬合得出擊穿電壓與厚度的對應(yīng)關(guān)系如式（1）所示，其中U為擊穿電壓，x為護(hù)套的厚度，當(dāng)護(hù)套的厚度大于2.0 mm時，該公式可以用于估算護(hù)套的擊穿電壓。

圖6 空氣間隙長度為0 cm時的護(hù)套體擊穿特性Fig.6 Body breakdown characteristics of sheath when air gap is 0 cm

棒電極下方的電場分布是影響組合間隙擊穿的重要因素，為了研究該處電場的分布特性，建立與試驗?zāi)Ｐ拖嗤娜S仿真模型，如圖7所示，仿真模型的參數(shù)與實(shí)際模型保持一致，導(dǎo)線電壓設(shè)置為63 kV，調(diào)整棒電極下端與絕緣護(hù)套上表面的垂直距離為0.7 m，在x軸方向與絕緣子的距離為0.5 m；選取圖中截線1上的電場值作為特征電場，得到圖8所示的電場分布圖。

圖7 仿真模型Fig.7 Simulation model

從圖8可以看出，當(dāng)距離棒電極尖端10 cm時，電場值降低至最小值，隨著與棒電極尖端的距離進(jìn)一步增大，電場值略有上升，但上升幅度較小。文獻(xiàn)[14]指出，維持正極性流注穩(wěn)定發(fā)展需要一個最小的維持電場，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下該電場為0.4～0.5 kV/mm，由此可知，當(dāng)空氣間隙長度超過10 cm后，因為電場強(qiáng)度的下降，為了達(dá)到維持電場值，需要升高電壓，所以間隙的擊穿電壓會顯著升高。本文所研究的護(hù)套厚度范圍為2.0～3.5 mm，在該范圍內(nèi)，棒電極周圍區(qū)域的電場畸變?nèi)匀惠^為嚴(yán)重，因此當(dāng)空氣間隙長度為0時，護(hù)套的擊穿電壓隨厚度的增大基本呈線性增加。

圖8 棒電極下端電場分布Fig.8 Electric field distribution at the lower end of rod electrode

2.2 絕緣護(hù)套長度對沿面閃絡(luò)的影響

當(dāng)絕緣護(hù)套的包覆長度較短時，在鳥糞下落的過程中，可能首先會發(fā)生沿面閃絡(luò)，如圖9所示，當(dāng)護(hù)套的體擊穿電壓高于護(hù)套的沿面閃絡(luò)電壓時，會在護(hù)套上表面形成貫穿電極的放電通道，因此有必要對護(hù)套的沿面閃絡(luò)特性展開研究。

圖9 放電過程示意圖Fig.9 Schematic diagram of discharge process

為了研究護(hù)套的沿面閃絡(luò)特性，在2.1節(jié)的試驗平臺中，調(diào)整棒電極與護(hù)套上表面的距離為0，在保證護(hù)套左端（圖9中端點(diǎn)1的位置）不發(fā)生沿面閃絡(luò)的前提下，調(diào)整L的值，研究絕緣護(hù)套長度對沿面閃絡(luò)特性的影響。試驗過程護(hù)套表面出現(xiàn)的沿面放電現(xiàn)象如圖10所示。

圖10 沿面放電現(xiàn)象Fig.10 Surface discharge phenomenon

當(dāng)護(hù)套表面處于干燥狀態(tài)時，在不同護(hù)套厚度下，沿面閃絡(luò)電壓隨L的變化如圖11(a)所示，定義體擊穿電壓和沿面閃絡(luò)電壓值相等時的L值為護(hù)套的極限沿面距離；由圖11(a)可知，絕緣護(hù)套厚度對沿面閃絡(luò)特性的影響較小，3種厚度下，沿面閃絡(luò)電壓隨L的增加速率基本相同；但是不同厚度下的極限沿面距離有所不同，厚度越大，極限沿面閃絡(luò)距離越大。這是由于護(hù)套厚度越大，體擊穿電壓越高，因此對應(yīng)的極限沿面閃絡(luò)距離越大。

圖11 不同厚度下護(hù)套的沿面閃絡(luò)電壓Fig.11 Surface flashover voltage of sheath under different thickness

實(shí)際運(yùn)行過程中，由于氣候環(huán)境的影響，護(hù)套表面的狀態(tài)會產(chǎn)生較大的變化，進(jìn)而影響其沿面閃絡(luò)特性。本文的主要目的是找出絕緣護(hù)套的配置方案，所以需要考慮最惡劣的情況，因此本節(jié)中對表面污穢狀態(tài)下絕緣護(hù)套的沿面性能展開了研究。采用人工定量涂污的方法來模擬自然積污的過程，根據(jù)Q/GDW 152—2006中對污穢等級的劃定[15]，利用NaCl、硅藻泥、純凈水按照鹽密，灰密=1∶5的比例配制污穢，污穢等級b級，鹽密0.1 mg/cm2，灰密為1.0 mg/cm2，將配置好的污穢溶液均勻涂抹在護(hù)套表面以模擬污穢運(yùn)行狀態(tài)。在污穢狀態(tài)下，沿面閃絡(luò)電壓隨距離的變化如圖11(b)所示。

對比圖11(a)和(b)可知，當(dāng)護(hù)套的厚度相同時，干燥和污穢狀態(tài)下的擊穿電壓大致相同，而污穢狀態(tài)下的極限沿面閃絡(luò)距離遠(yuǎn)大于干燥狀態(tài)下的，這是由于污穢狀態(tài)下護(hù)套的沿面性能下降，所以需要更長的沿面距離承受相同的電壓。因此在配置絕緣護(hù)套的長度時，應(yīng)當(dāng)以污穢狀態(tài)下的極限沿面閃絡(luò)距離為參考值，護(hù)套的長度需大于該參考值。污穢狀態(tài)下極限沿面閃絡(luò)距離對應(yīng)的沿面閃絡(luò)電壓值如表2所示，可計算出污穢狀態(tài)下，護(hù)套沿面可以承受的電場強(qiáng)度約為1.2 kV/cm，則可以采用式（2）估算極限沿面閃絡(luò)距離，其中Lmax為極限沿面閃絡(luò)距離，U為間隙為0時護(hù)套的體擊穿電壓。

表2 污穢狀態(tài)下沿面閃絡(luò)電壓與距離的關(guān)系Tab.2 Surface flashover voltage and distance

2.3 絕緣護(hù)套的配置方案

由前述研究可知，輸電線路絕緣護(hù)套的防護(hù)效果主要由護(hù)套的厚度和包覆長度決定，其中護(hù)套的厚度主要由體擊穿電壓決定，包覆長度主要由體擊穿電壓和表面狀態(tài)決定，因此在配置絕緣護(hù)套時，首先設(shè)定U為輸電線路的額定運(yùn)行電壓，根據(jù)式（1）配置絕緣護(hù)套的厚度，然后根據(jù)式（2）得到極限沿面距離，即為護(hù)套的包覆長度。

以110 kV輸電線路為例，單相電壓約為63.5 kV，即令U等于63.5 kV，代入式（1）中，求得護(hù)套的厚度約為5.22 mm；若考慮110 kV的最高運(yùn)行電壓為121 kV，則護(hù)套厚度為5.55 mm；由式（2）可得極限沿面閃絡(luò)距離為52.9 cm。同理，220 kV線路需配置厚度為7.77 mm，長度為105.8 cm的護(hù)套。

根據(jù)上述計算結(jié)果，應(yīng)用于110 kV輸電線路的防鳥糞絕緣護(hù)套，其厚度推薦使用6 mm；為了保證鳥糞下落過程中不出現(xiàn)沿面閃絡(luò)現(xiàn)象，護(hù)套長度應(yīng)留有一定的裕度，如圖12所示，需保證L1≥60 cm。220 kV線路需配置厚度為8 mm，長度為110 cm的護(hù)套。

圖12 護(hù)套長度配置示意圖Fig.12 Schematic diagram of sheath length configuration

為了驗證上述配置方案的可行性，以110 kV線路為例，在1.1節(jié)所述的試驗平臺中，對護(hù)套的沿面閃絡(luò)和擊穿特性進(jìn)行測試。首先調(diào)整棒電極與護(hù)套邊緣的距離，測試不同距離下的沿面閃絡(luò)電壓，結(jié)果如圖13所示。從圖13可以看出，當(dāng)線路在額定電壓下運(yùn)行時，該護(hù)套的極限沿面閃絡(luò)距離為51 cm，即上述配置方案可以有效防止護(hù)套出現(xiàn)沿面閃絡(luò)。

圖13 沿面閃絡(luò)特性測試結(jié)果Fig.13 Schematic diagram of sheath length configuration

確保護(hù)套不發(fā)生沿面閃絡(luò)的情況下，對護(hù)套的擊穿特性進(jìn)行測試，結(jié)果表明，當(dāng)空氣間隙長度為0時，上述護(hù)套的擊穿電壓為78.5 kV，比額定運(yùn)行電壓高約23%。綜上所述，該配置方案下的絕緣護(hù)套，可以有效防止由于鳥糞引起的閃絡(luò)故障。

3 結(jié)論

（1）絕緣護(hù)套-空氣組合間隙的擊穿電壓隨間隙長度和護(hù)套厚度的增大，呈非線性增大，且間隙長度和護(hù)套厚度越大，擊穿電壓增加速度越快。

（2）絕緣護(hù)套的沿面閃絡(luò)特性受表面狀態(tài)影響較大，污穢狀態(tài)下沿面性能最差，該狀態(tài)下護(hù)套表面可承受的電場強(qiáng)度為1.2 kV/cm。

（3）絕緣護(hù)套配置過程中，護(hù)套的厚度主要由體擊穿電壓決定，包覆長度由極限沿面閃絡(luò)距離決定；基于此配置方法得出，110 kV輸電線路中，防鳥糞閃絡(luò)絕緣護(hù)套的厚度推薦值為6 mm，長度為60 cm；220 kV輸電線路中，防鳥糞閃絡(luò)絕緣護(hù)套的厚度推薦值為8 mm，長度為110 cm。